Il terreno: proprietà fisiche, chimiche e biologiche. Nicola Silvestri - DiSAAA

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1 Il terreno: proprietà fisiche, chimiche e biologiche Nicola Silvestri - DiSAAA

2 Il terreno È lo strato detritico superficiale della crosta terrestre capace di consentire la vita delle piante. È costituito da sostanze minerali ed organiche, è sede di attività biologiche oltre che di processi chimici e fisici, che ne determinano un evoluzione continua. Il terreno non è dunque solo un insieme di particelle provenienti dall alterazione delle rocce, ma costituisce un vero ecosistema, più o meno modificato dall uomo, con una propria organizzazione e con una propria tendenza evolutiva che lo possono rendere più o meno idoneo alla coltivazione delle piante.

3 Origine del terreno Pedogenesi: alterazione dei minerali della superficie terrestre a seguito di azione fisicochimica, meccanica, biologica Titolo diagramma Pedogenesi: alterazione dei minerali della superficie terrestre a seguito di azione fisico-meccanica rocce e minerali disgregati in particelle più piccole chimica in successione a quella fisico-meccanica biologica organismi terricoli con azione pedogenetica Alternanza alte e basse T: le rocce si disgregano per la differente dilatabilità delle loro componenti Gelo: l acqua nelle fessure congela, si dilata, le spacca radici: penetrazione nella roccia vento: abrasione Acqua: scioglimento di sali O 2 solubili (gesso) e idrolisi dei silicati in argille O 2 :ossida Fe e Mn, si espandono e si rompono i reticoli cristallini, terreni rosso scuri o bruni CO 2 : solubilizzazione carbonati Produzione di CO 2 e acidi organici ossidazione microbica di Fe e Mn formazione dell Humus

4 Funzioni del terreno Abitabilità: umidità, temperatura, ossigenazione (porosità), ancoraggio Nutrizione: dotazione, disponibilità, conservazione degli elementi nutritivi Ecologia: ciclio bio-geo-chimici della materia (C, N, O, P, ecc.), depurazione, filtro naturale

5 Tipologie di terreno Naturale: azione di fattori pedogenetici naturali, ospita una vegetazione spontanea in relazione alle condizioni ambientali Agrario: l agricoltore costituisce un fattore pedogenetico importante anche se non esclusivo, la vegetazione è programmata Artificiale (ad es. urbano): non presenta continuità materiale, né funzionale con l ambiente, è sottoposto ad agente pedogenetici inusuali (per natura e intensità), quasi mai costituisce un ecosistema

6 Le fasi presenti nel terreno Solida: sostanze minerali e organiche Liquida: acqua e sostanze disciolte Gassosa: atmosfera tellurica Estrema importanza rivestono i rapporti quantitativi fra le tre fasi, modificabili in relazione ad eventi naturali e all azione dell uomo

7 Stratigrafia o profilo del terreno I fattori pedogenetici portano alla formazione di strati o orizzonti che differiscono per colore, spessore, composizione, dotazione, ecc. Nei terreni naturali si distinguono 4 orizzonti principali che si succedono per profondità: A: eluviale (sali, argille, ecc.), sviluppo radicale B: illuviale (argille, concrezioni, clacare, humus, ecc. C: substrato pedogenetico D: roccia madre

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9 Nei terreni agrari Maggiore uniformità a causa dell azione dell uomo (fattore pedogentico principale) Strato attivo (o lavorato): A o A + B, più ricco di elementi nutritivi e SO, più soffice e permeabile e con > attività microbica (0-40/50/60 cm) Strato inerte (o vergine): B o B + C, presenza di radici solo delle piante più grandi, inadatto alla vita delle piante, scassi e concimazioni di arricchimento, importante per il drenaggio (40/50/60 cm - 100/200 cm) Sottosuolo: C + D (non influenzati dall agricoltore)

10 Altre caratteristiche Strati di inibizione: ph, sali, saturi, aridi, lapidei, concrezionati (ossidi di Fe e Al + Si), cementazione dei carbonati, suole di aratura Profondità: cm a seconda delle specie Clima: terreni zonali o climatici (podzol, terre rosse, ecc. Litologia: soprattutto se il terreno è recente Terreni autoctoni e alloctoni Giacitura: sistemazioni idraulico-agrarie, erosione, meccanizzazione, disponibilità idriche Esposizione: Liguria

11 Le proprietà fisiche del terreno Le caratteristiche fisiche del terreno sono connesse con le funzioni di abitabilità nei confronti delle piante ed attengono i rapporti: aria - acqua - terreno La condizioni ideali infatti sarebbero rappresentate da un substrato che presenti una porosità (cioè un volume non occupato dalla matrice solida) pari al 50%. Di questa una metà (25%) dovrebbe essere costituita da micropori tanto piccoli (< 20 μm) da riuscire a trattenere l acqua per imbibizione e capillarità ed un altra metà (25%) dovrebbe invece essere rappresentato da macropori di dimensioni più grandi (> 20 μm), dove l acqua possa sgrondare con facilità, e quindi essere occupati dall aria. In questo modo infatti risulterebbero soddisfatte le esigenze idriche e gassose della coltura

12 micropori ACQUA 25% macropori ARIA 25% matrice solida PARTICELLE TERROSE 50%

13 Grandezze fisiche Granulometria o tessitura o grana o composizione tessiturale Struttura Umidità Densità assoluta e apparente (porosità) Penetrabilità (sofficità) Tenacità, coesione, aderenza, plasticità Calore specifico, conducibilità termica, albedo

14 La granulometria Per granulometria o tessitura si intende la composizione della parte solida del terreno espressa come percentuale in peso delle particelle elementari che lo compongono, classificate per categorie in relazione alle loro dimensioni In particolare si distingue lo scheletro costituito da pietre e ghiaia con diametro > 2 mm, dalla terra fine rappresentata invece dalle particelle terrose vere e proprie con diametro < 2 mm. La terra fine può essere, a sua volta, suddivisa in numerose altre frazioni di cui le più importanti sono la sabbia, il limo e l argilla La prevalenza di una di queste frazioni sulle altre conferisce al terreno particolari caratteristiche che consentono di orientare il comportamento dell agricoltore

15 granulometria È una proprietà fondamentale capace di influenzare tutte le caratteristiche fisiche e molti dei fenomeni che avvengono nel terreno È sostanzialmente IMMODIFICABILE

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17 Classificazioni tessiturali ISSS (internazionale) Scheletro: > 2 mm Terra fine: < 2 mm Sabbia: mm Grossa: mm Fine: mm Limo: mm Argilla: < mm USDA (americano) Scheletro: > 2 mm Terra fine: < 2 mm Sabbia: mm Grossa: mm Media: mm Fine: mm Finissima: mm Limo: mm Argilla: < mm

18 La tessitura Detta anche composizione granulometrica E la ripartizione in funzione della dimensione dei costituenti minerali (% in peso) Molte proprietà del suolo dipendono da essa. Conoscerla è indispensabile, ma non sufficiente per caratterizzare un terreno Titolo diagramma TESSITURA Scheletro > 2 mm Terra fine <= 2 mm pietre > 20 mm sabbia 2-0,05 mm limo 0,05-0,002 mm argilla >0,002 mm ghiaia 20-2 mm grossa 2-0,2 mm fine 0,2-0,05 mm Il triangolo granulometrico consente una classificazione del terreno in funzione della composizione della terra fine

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20 Triangolo della tessitura

21 sabbioso > 70-80% di sabbia argilloso > 35-40% di argilla

22 Metodo empirico Metodo del cilindretto di Kachinski sabbioso medio impasto tendenzialmente sabbioso medio impasto 3 mm medio impasto tendenzialmente argilloso argilloso

23 Clay = argilla Silt= limo Sand = sabbia Loam = franco USDA Texture Tessitura Sigla 1 CLAY Argilloso A 2 SILTY CLAY Argillo-Limoso AL 3 SILTY CLAY LOAM Franco-Limo-Argilloso FLA 4 SANDY CLAY Argillo-Sabbioso AS 5 SANDY CLAY LOAM Franco-Sabbioso-Argilloso FSA 6 CLAY LOAM Franco-Argilloso FA 7 SILT Limoso L 8 SILT LOAM Franco-Limoso FL 9 LOAM Franco F 10 SAND Sabbioso S 11 LOAMY SAND Sabbioso-Franco SF 12 SANDY LOAM Franco-Sabbioso FS 10-20% di calcare totale x - calcareo > 20% di calcare totale calcareo - x 5-10% di sostanza organica x - umifero > 10% di sostanza organica humo - x

24 Le classi isodiametriche costituenti il terreno possono differire per: Composizione chimica: difficilmente (non è legata alla dimensioni) Peso specifico (cioè il peso per unità di volume): poco, a meno che non si tratti di particelle organiche e/o calcaree Superficie specifica (cioè la superficie per unità di massa): molto significativamente sabbioso: 1-20 m 2 /g limoso: m 2 /g argilloso: m 2 /g medio impasto: m 2 /g

25 PESO = = SUPERFICIE < <

26 Le dimensioni delle particelle Le dimensioni delle particelle sono importanti quanto e forse più della loro composizione chimica; il loro diametro infatti condiziona sia la quantità e la qualità dei pori nel terreno, sia l entità della superficie di contatto con la soluzione circolante cioè con l acqua presente nel terreno che fornisce il nutrimento alle piante La capacità delle particelle di interagire con l aria, con l acqua e con i soluti è fortemente condizionata proprio dal valore della superficie massica (o specifica), cioè dall entità del contatto con l esterno per unità di massa Per questo motivo le argille sono molto più attive delle sabbie che presentano una superficie massica decisamente inferiore

27 scheletro Materiale grossolano derivante dalla disgregazione delle rocce Nessun contributo alla fertilità (adsorbimento nutrienti, ritenzione idrica, ostacolo fisico, < spazio utile) < 5% = inconsistente; 5-20% = sensibile 20-40% = abbondante; > 40% = prevalente Elevata permeabilità, forte areazione, modesta presenza di SO, lisciviazione Rimedi: irrigazioni + concimazioni + colture idonee

28 sabbia Frammenti di roccia, minerali refrattari, calcari cristallini Ridotta partecipazione alle attività del terreno Elevata macroporosità, facile drenaggio, ridotto contenuto in SO, debole capacità di ritenzione idrica, poveri di elementi nutritivi, scarsa tenacità, buona lavorabilità, non temono il calpestamento Idonei ad un agricoltura dinamica con rapide successioni colturali, piante delicate (ortaggi) Rimedi: concimazioni + irrigazioni

29 limo Quarzo e silicati derivanti dalla roccia madre, calcari precipitati, frammenti di SO Comportamento intermedio, incapacità di formare aggregati Mal strutturati, secchi => spolverano, bagnati => fangosi, formano con facilità croste superficiali e zolle durissime, ristagni superficiali, poveri di elementi nutritivi, poco permeabili, poco adatti all irrigazione Rimedi: concimazioni organiche

30 argilla Silicati (caolinite, illite, montmorillonite), ma anche sesquiossidi, carbonati, humus Dimensioni colloidali, in grado di solvatarsi e mantenersi dispersi fino al momento della neutralizzazione (Na < NH 4 < K < Mg < Ca < H) Giocano un ruolo importante nella struttura e nella disponibilità di nutrienti (CSC) Dotazione elevata di elementi nutritivi (K) e in SO, difficile lavorabilità (tenaci e plastici), grande capacità di ritenzione idrica, poco permeabili Rimedi: abbisognano di una buona struttura

31 Sost. Org Acqua Azoto Fosforo Potassio Lavorabilità Temperatura Caratteristiche dei terreni in funzione della granulometria TERRENI contenuto diponibilità disponibilità sabbiosi bassa bassa bassa alta variabile bassa ottima caldo limosi media media media media bassa bassa difficile freddo argillosi alta alta alta bassa alta alta difficile medio Giudizi relativi, validi solo per terreni medio-profondi e profondi

32 struttura Le particelle del terreno possono presentarsi separate o più spesso aggregarsi per formare strutture più grandi La dimensione, la forma e la disposizione spaziale con cui le particelle elementari del terreno si aggregano costituisce la struttura disposizioni estreme (ammettendo le particelle tutte di dimensioni uguali): assetto cubico: vuoti = 47% degli spazi pieni assetto piramidale: vuoti = 25% degli spazi pieni

33 Nella realtà non tutte le particelle sono uguali e quindi questi limiti possono teoricamente essere superati sia in un senso che nell altro 1. Dimensioni e distribuzione granulometrica particelle distribuzione uniforme distribuzione assortita

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35 Stato disperso delle argille

36 Stato aggregato delle argille

37 Cariche elettriche e argille Il pacchetto (quindi il granulo) ha un eccesso di carica negativa superficiale in acqua viene idratato dal dipolo H 2 O a costituire i complessi di adsorbimento granulo doppio strato H acqua adsorbita O acqua libera (interstiziale) con ioni diffusi

38 Acqua con pochi sali Acqua con più sali Struttura dispersa Struttura flocculata

39 Tipi di argille Illite: argille 2:1, ma gli spazi tra le lamine sono limitati e solo il K riesce a entrare, non rigonfiano, gli ioni K rendono rigido il reticolo Le argille sono silicati di alluminio con struttura lamellare. Sono costituite dall alternarsi di strati di di cristalli tetraedrici di silicio con strati ottaedrici di Al-OH Elettronegative, assorbono ioni positivi sulla superficie Se c è spazio tra i foglietti adsorbono ioni anche all interno 3 tipi principali: Kaolinite: 1 strato tetraedrico alternato a 1 ottaedrico, (argille 1:1), non entrano tra gli strati né ioni né acqua Smectite: tra le quali la montmorillonite, 2 strati tetraedrici alternati a 1 ottaedrico (argille 2:1); gli spazi interni possono allargarsi: argille rigonfiabili, con altissima capacità di assorbire cationi.

40 Argilla Superfici esterne adsorbenti 7 a Unità cristalline Foglietti di silice foglietti di alluminio Legami forti Superfici esterne adsorbenti Superfici interne adsorbenti Struttura tipo montmorillonite A La kaolinite ha superfici di scambio ridotte: 20 m 2 per grammo La montmorillonite ha 20 m 2 per grammo di superficie esterna, 800 m 2 per grammo tra i foglietti L illite consente l ingresso tra i foglietti del solo ione K +, che rimane bloccato (retrogradazione)

41 Proprietà delle argille Sono quelle dei colloidi elettronegativi: idrofilia: l acqua può penetrare tra i foglietti, che possono rigonfiarsi.ne deriva plasticità, adesività rigonfiabilità Dispersibilità e flocculazione. I colloidi possono presentarsi allo stato disperso, formando una miscela omogenea con l acqua, si hanno terreni con struttura compatta. Se uno ione positivo neutralizza le loro cariche elettriche negative, tendono a aggregarsi e a flocculare Flocculazione Separazione dei colloidi dall acqua Aggregazione attorno a elementi sabbiosi Formazione di una struttura (meno adesività, facili lavorazioni) OCCORRE ANCHE L HUMUS PER UN AGGREGAZIONE STABILE

42 Flocculanti e disperdenti Acidi: flocculanti, liberano H + (che però occupa più stabilmente i siti di scambio rispetto a altri ioni) e non flocculano l humus; la flocculazione dell argilla da sola non basta, apporto di Ca in suoli acidi) Base forte: l OH - allontana i cationi, e le micelle si respingono) Base debole, invece dell OH - diviene importante il catione (es Ca(OH) 2 Cationi monovalenti: sono attorniati da molte molecole d acqua, poco potere flocculante sulle argille, nullo sull humus (Na +, K +, NH4 + ) Cationi bivalenti: elevato potere flocculante sulle agrille (Ca ++, Mg ++ ) Il sodio alcalinizza il mezzo, aumentando gli OH-, forte deflocculante. Bisogna evitare l apporto di concimi sodici (nitrato di sodio, sylvinite) ai terreni argillosi. grave problema delle argille sodiche si può cercare di lisciviare il Na e apportare gesso (CASO 4 ) Il potassio è anche un deflocculante, problemi in assenza di Ca

43 Tipi di struttura Struttura a particelle singole = non ci sono aggregati; le particelle possono essere indipendenti le une dalle altre (s. incoerente => terreni sabbiosi) o cementate in un blocco unico (s. compatta => terreni molto argillosi e poveri di sostanza organica), formazione di croste superficiali Struttura concrezionata = simile alla compatta, originata dai sesquiossidi => orizzonti impermeabili (crostone, ferretti) Struttura grumosa o glomerulare = è costituita da aggregati porosi, cementi organici => grumi (vera struttura), buone condizioni di abitabilità per le piante (terreni di medio impasto ben dotati di sostanza organica) Struttura granulare = è tipica dei terreni argillosi e deriva dalla flocculazione dei colloidi minerali => aggregati (pseudostruttura) Struttura di disgregazione = deriva dalla frammentazione (anche meccanica) di aggregati molto grossi (zolle)

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45 Misura della densità apparente Si infigge nel terreno un piccolo cilindretto di volume noto (circa 0,1 dm 3 ). Si preleva il cilindro pieno di terreno e si rifilano i bordi con un coltello, si estrae il terreno, lo si essicca in stufa e lo si pesa La densità varia per lavorazioni, azione del gelo, compattazione in seguito al passaggio di mezzi meccanici, ma non varia in funzione dell umidità del suolo se non in presenza di argille rigonfiabili. Densità tipiche di alcuni terreni Sabbioso 1,4-1,5 t m 3 limoso-sabbioso 1,2-1,3 t m 3 argilloso 1.2 t m 3 umifero 1,0 t m 3 grana media 1,3 t m 3 Terreni leggeri: con questo nome si indicano i terreni sabbiosi perché facili da lavorare e NON PER LA LORO DENSITA Terreni pesanti: argillosi e limosi

46 Misura della massa volumica apparente 1) inserire il cilindretto nel suolo, usando una tavoletta di legno 2) scavarlo fuori dal terreno 3) pesare il terreno contenuto nel cilindetto dopo essiccazione

47 CONDUCIBILITA IDRAULICA Capacità del terreno di farsi attraversare dall acqua Si misura in mm h -1 (o cm h -1 o mm d -1 o m s -1 ) Dipende da tessitura e struttura porosità mm h -1 Molto permeabile > 150 Permeabile Mediamente permeabile Mediocremente permeabile 5-15 Poco permeabile 1-5 Molto poco permeabile < 1

48 Coesione ( ) e plasticità (-----) C L A Coesione, plasticità e lavorabilità Terreno argilloso Limiti di Attenberg C L A non plastico plastico fluido Terreno a grana media LPi LPs Intervallo plasticità = LPs - LPi L Terreno sabbioso C = terreno coesivo L = terreno lavorabile A = terreno adesivo Umidità %

49 Le forze (capillarità) che trattengono l acqua aumentano al ridursi della distanza dalla particella Es. terreno alla capacità di campo; ad=100% Acqua legata debolmente ( bar sono sufficienti ad allontanarla) Acqua legata fortemente (sono necessari 1 15 bar) Acqua igroscopica Legata con forza > 15 bar

50 Quanto l ET (assorbimento radicale + evaporazione) consuma tutta l acqua facilmente disponibile, rimane solo l acqua legata più fortemente ( = bar) e la pianta consuma sempre più energia per assorbirla dal terreno Es. terreno alla umidità critica; ad=50%

51 Se continua l ET la pianta va in stress idrico, poi siccome è rimasta solo l acqua legata fortemente ( = -15 bar) la pianta non è in grado di allontanarla dal suolo PERDITA TURGORE e APPASSIMENTO Es. terreno al punto di appassimento; ad = 0%

52 Relazioni tra potenziale e contenuto in acqua Camera di Richards: i campioni di suolo vengono appoggiati su una piastra porosa, permeabile all acqua e non all aria, poi vengono sottoposti a una pressione predefinita. Al raggiungimento dell equilibrio (fine del gocciolamento) si determina l umidità del campione; si ha quindi il valore di umidità in corrispondenza della pressione esercitata. Limiti: il terreno deve essere preparato setacciandolo a 2 mm dopo essiccazione all aria, per basse tensione i valori sono solo indicativi, a alti potenziali vanno bene. Gamma: kpa

53 CIM CC PA

54 Costanti idrologiche

55 Caratteristiche chimiche del terreno Le caratteristiche chimiche del terreno sono sostanzialmente connesse con le funzioni di nutrizione delle colture e riguardano la dotazione in elementi nutritivi, nonché altri parametri che possono influenzare la disponibilità dei nutrienti in forme chimiche effettivamente assorbibili dalle radici. I nutrienti infatti possono essere presenti nel suolo in forme inutilizzabili dalle piante perché insolubili o parzialmente trattenute dal terreno e sono proprio le condizioni generali del substrato: ph o la CSC (cioè la capacità di trattenere cationi posseduta dalle argille e dalla sostanza organica), ad influenzare la quota parte di elemento nutritivo che potrà essere utilmente assorbito dalle colture.

56 solubili scambiabili legati occlusi

57 La nutrizione minerale delle piante Gli elementi minerali indispensabili alla vita delle piante si dividono in macroelementi principali: C, H e O (assunti attraverso l acqua e l atmosfera), N, P e K (assorbiti dal terreno), macroelementi secondari: S, Ca, Mg e microelementi: Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo Cl (comunque assorbiti dal terreno). Tutti questi nutrienti risultano ugualmente indispensabili per la vita delle piante e la loro classificazione riguarda esclusivamente le quantità assorbite dalle piante e non la loro importanza. L insufficiente disponibilità anche di un microelemento può compromettere lo sviluppo della coltura (generalmente le esigenze sono talmente ridotte da essere quasi sempre soddisfatte dalla naturale dotazione del terreno).

58 carbonio ferro, manganese, zinco, rame boro, molibdeno, cloro idrogeno zolfo, calcio e magnesio PIANTA ossigeno potassio azoto fosforo

59 Concimi fostatici Solubili solubilità 50 g l -1 a ph 7 immediatamente assimilabili scambio con ioni del comlesso argilloumico e idrossidi di ferro e alluminio azione rapida, da distribuire poco prima della semina o con coltura in corso Ca Ca HPO 4 Fe(OH) 3 Al(OH) 3 Ca H 2 PO 4 H 2 PO 4

60 Le caratteristiche biologiche Il terreno possiede un intensa attività biologica che è alla base dei processi pedogenetici (legati alla formazione di nuovo terreno) e delle molte trasformazioni chimiche riguardanti il ciclo degli elementi che entrano a far parte della sostanza organica (C, H, O, N, P, S, ecc.). La componente biologica è dunque essenziale nell assicurare la corretta funzionalità dell ecosistema suolo La popolazione di organismi viventi presenti nel terreno è molto varia ed è costituita da specie appartenenti a gruppi tassonomici anche molto diversi fra loro: batteri, funghi, protozoi, alghe, radici di piante, nematodi, acari, insetti, anellini, anfibi, ecc.

61 ORGANISMI Valore minimo (kg ha -1 ) Valore massimo (kg ha -1 ) Batteri Actinomiceti Funghi Alghe Protozoi Nematodi, vermi, ecc TOTALE

62 La fertilità del terreno Tradizionalmente si definisce la fertilità come la mirabile capacità del terreno a produrre, ma il concetto è più ampio e deve includere anche la valutazione delle proprietà fondamentali degli ecosistemi quali la funzionalità e la stabilità. Per questi motivi oggi si preferisce parlare di qualità o di salute del terreno Dovendo semplificare al massimo e volendo scegliere uno solo dei molti parametri che caratterizzano la natura del terreno, il contenuto in sostanza organica costituisce probabilmente l indicatore più efficace nel fornirne una stima del livello di fertilità in considerazione degli effetti che tale frazione è in grado di esercitare su tutte le principali caratteristiche: fisiche, chimiche biologiche.